四川日?qǐng)?bào) 2021年01月05日
最后一個(gè)繆子探測(cè)器的建成，標(biāo)志著高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站的繆子探測(cè)器陣列主體工程完工。四川日?qǐng)?bào)全媒體記者 徐莉莎 攝
科研人員在監(jiān)測(cè)從繆子探測(cè)器陣列中獲得的數(shù)據(jù)。新華社記者 金立旺 攝
俯瞰在建的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站。 新華社發(fā)（中科院高能物理研究所供圖）
它
是捕捉“天外來(lái)客”的神器
助力于破解“新世紀(jì)科學(xué)研究的世紀(jì)謎題”
是我國(guó)“十二五”期間啟動(dòng)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目
它就是高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站（LHAASO）
□四川日?qǐng)?bào)全媒體記者 徐莉莎
2020年12月6日，海拔4410米的稻城海子山，經(jīng)過(guò)兩年半的建設(shè)，高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站（LHAASO）項(xiàng)目迎來(lái)兩個(gè)重大節(jié)點(diǎn)。
其一，觀(guān)測(cè)站最后一個(gè)繆子探測(cè)器建成投用，標(biāo)志著觀(guān)測(cè)站的繆子探測(cè)器陣列主體工程完工。
其二，觀(guān)測(cè)站四分之三規(guī)模的陣列正式“上崗”，包括917個(gè)繆子探測(cè)器與4008個(gè)電磁粒子探測(cè)器，標(biāo)志著我國(guó)已建成世界上高能伽馬探測(cè)靈敏度最高的觀(guān)測(cè)站。
這些神秘的探測(cè)器是怎么運(yùn)行的？近日，記者走進(jìn)稻城高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站為你揭秘。
去年6月5日，本報(bào)一篇名為《稻城深山有一座宇宙空間“天氣預(yù)報(bào)站”》的報(bào)道，為你介紹了中國(guó)空間天氣科學(xué)領(lǐng)域首個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目——東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈（簡(jiǎn)稱(chēng)“子午工程”）的二期稻城項(xiàng)目的情況。今天，我們?cè)俅螏阕哌M(jìn)同在稻城的另一個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目——高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站（LHAASO）……
高原“天網(wǎng)”捕捉粒子“陣雨”
從航拍圖上看，占地1.36平方公里的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站就像一枚銅錢(qián)，放置在群山之間，科學(xué)家們戲稱(chēng)它為“孔方兄”。
項(xiàng)目2017年開(kāi)始建設(shè)，建設(shè)周期為4年，所以現(xiàn)在“銅錢(qián)”的西北角還有部分殘缺。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究員、電磁粒子探測(cè)器陣列分總體副主任盛祥東告訴記者，觀(guān)測(cè)站共有4種探測(cè)器陣列，其中包括5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器、1188個(gè)繆子探測(cè)器、3000路水切倫科夫探測(cè)器單元以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。
4種探測(cè)器在高原組成“天網(wǎng)”，用復(fù)合、精確的測(cè)量手段，“捕捉”從外太空進(jìn)入地球大氣層的“天外來(lái)客”，對(duì)它們進(jìn)行全息式的“體測(cè)”，測(cè)量它們的能量、種類(lèi)、幾何信息等指標(biāo)。
這些“天外來(lái)客”就是宇宙線(xiàn)粒子。為什么科學(xué)家們要在高海拔地區(qū)建設(shè)探測(cè)器？這要從“天外來(lái)客”進(jìn)入大氣層后的變化說(shuō)起。據(jù)盛祥東介紹，宇宙線(xiàn)粒子進(jìn)入大氣層后，會(huì)和大氣中的原子核發(fā)生相互作用，產(chǎn)生許多次級(jí)粒子；次級(jí)粒子繼續(xù)和大氣中的原子核相互作用產(chǎn)生新的次級(jí)粒子……如此重復(fù)，最終次級(jí)粒子數(shù)可達(dá)百億個(gè)，在空氣中像一場(chǎng)粒子“陣雨”，瞬間散布在數(shù)平方公里的面積上。
而粒子“陣雨”在抵達(dá)地面的過(guò)程中，會(huì)被大氣層“吞噬”一部分。因此，在高海拔地區(qū)布局探測(cè)器，就是為了搶在大氣層“吞噬”前，捕捉到更多的次級(jí)粒子，獲取更多信息。各單元的探測(cè)器通過(guò)閃爍體、水、大氣等轉(zhuǎn)換介質(zhì)，將粒子“陣雨”在介質(zhì)中沉積的能量轉(zhuǎn)化成光子，再經(jīng)光電倍增管接收放大后，通過(guò)光電轉(zhuǎn)化，變成我們熟悉的電信號(hào)讀出并記錄。
分析粒子“陣雨”攜帶的信息，就能分析出原初宇宙線(xiàn)與大氣的相互作用，反推原初粒子的性質(zhì)，開(kāi)展相關(guān)物理研究。
土堆下的繆子探測(cè)器
行走在觀(guān)測(cè)基地，一個(gè)個(gè)36平方米大小的“土堆”就是繆子探測(cè)器。在整個(gè)基地中，這樣的探測(cè)器有1188個(gè)。據(jù)中科院高能所副研究員、繆子探測(cè)器陣列分總體副主任肖剛介紹，它主要用于測(cè)量粒子“陣雨”中的繆子含量。
土層用來(lái)屏蔽次級(jí)粒子中的電磁成分，土堆下是一個(gè)直徑6.8米、高1.2米的混凝土罐體。罐體中放置了裝有超純水的高反射率水袋，當(dāng)繆子進(jìn)入水體，在水中產(chǎn)生切倫科夫光，水袋頂部中心的光電倍增管，將接收的光信號(hào)放大，再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
繆子探測(cè)器處于十分復(fù)雜的地形地貌之中，其設(shè)計(jì)施工也面臨挑戰(zhàn)。部分探測(cè)器處于沼澤區(qū)域，它們?cè)谟昙鹃L(zhǎng)期處于水線(xiàn)以下，極容易滲水。海子山最大晝夜溫差達(dá)到30多攝氏度，而罐體內(nèi)的溫差年變化不能超過(guò)5攝氏度；內(nèi)部放置的水袋，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途運(yùn)輸、壓差變化、吊裝鋪設(shè)，也面臨著防滲漏的難題。
繆子探測(cè)器陣列主體工程自2018年開(kāi)始建設(shè)以來(lái)，設(shè)計(jì)、施工單位在諸多細(xì)節(jié)上進(jìn)行了針對(duì)性的技術(shù)攻關(guān)，成功完成主體建設(shè)。目前，已投用的1077個(gè)探測(cè)器無(wú)一滲漏。
隨著主體工程的完成，剩余的111個(gè)繆子探測(cè)器的超純水灌注以及探測(cè)器調(diào)試等工作將在今年春季完成。屆時(shí)，整個(gè)繆子探測(cè)器陣列將全部投入運(yùn)行。
從“天外來(lái)客”探知宇宙奧秘
宇宙線(xiàn)是來(lái)自宇宙空間的高能粒子。盛祥東告訴記者，由于大氣層的保護(hù)，高能粒子的能量在穿過(guò)大氣層的過(guò)程中，大部分都被吸收了，人體感知不到“天外來(lái)客”的造訪(fǎng)。
但這些“沉默不語(yǔ)”的“客人”，又非常重要。作為來(lái)自外太空的唯一物質(zhì)樣品，宇宙線(xiàn)攜帶著其產(chǎn)生地“源”天體及其經(jīng)過(guò)空間的宇觀(guān)環(huán)境，乃至天體演化及宇宙早期的奧秘，因此被科學(xué)家認(rèn)為是傳遞“宇宙大事件”的信使和發(fā)現(xiàn)“宇宙加速器”的探針。
人類(lèi)研究宇宙線(xiàn)高能粒子的歷史已超百年，相關(guān)研究獲得了5枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，但它的起源和加速機(jī)制等依然未能完全解釋。美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)將其確定為“新世紀(jì)科學(xué)研究的11個(gè)世紀(jì)謎題”之一。
2008年，建設(shè)一個(gè)大型高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站的項(xiàng)目開(kāi)始了前期預(yù)研。歷時(shí)6年，科學(xué)家在我國(guó)高海拔地區(qū)進(jìn)行了廣泛選址和實(shí)地踏勘調(diào)研，最終選定了稻城縣海子山平均海拔為4410米的高地作為觀(guān)測(cè)站站址。
據(jù)悉，觀(guān)測(cè)站剩下的1187個(gè)電磁粒子探測(cè)器將于今年7月完工，實(shí)現(xiàn)全陣列科學(xué)觀(guān)測(cè)。
背景
3個(gè)世界第一
到2021年建成后，中國(guó)高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站將成為世界范圍內(nèi)的宇宙線(xiàn)研究中心之一，并占有“三個(gè)世界第一”。項(xiàng)目硬件總負(fù)責(zé)人何會(huì)海說(shuō)，一是在1萬(wàn)億電子伏特附近的甚高能伽馬射線(xiàn)巡天探測(cè)方面，靈敏度世界第一；二是100萬(wàn)億電子伏特附近的高能伽馬射線(xiàn)探測(cè)方面，靈敏度世界第一；三是三類(lèi)探測(cè)器復(fù)合，覆蓋的宇宙線(xiàn)能量測(cè)量范圍世界最廣。
探測(cè)陣列只需布局到一定大小就可以開(kāi)始觀(guān)測(cè)，2018年年底，僅建成四分之一的LHAASO已經(jīng)是世界上最大的同類(lèi)宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)陣列。
3個(gè)發(fā)展階段
中國(guó)的高山宇宙線(xiàn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。60多年來(lái)，經(jīng)過(guò)三代物理學(xué)家的不懈努力，我國(guó)已邁入國(guó)際宇宙線(xiàn)研究領(lǐng)域的“第一梯隊(duì)”。
上世紀(jì)50年代建立的云南落雪山宇宙線(xiàn)實(shí)驗(yàn)站，是中國(guó)第一個(gè)高山宇宙線(xiàn)實(shí)驗(yàn)室，先后安裝了多板云室、磁云霧室和大云室組，為我國(guó)粒子物理研究奠定基礎(chǔ)。
1987年，高能所開(kāi)始在西藏羊八井建設(shè)國(guó)際宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站，此中建設(shè)的中日合作廣延大氣簇射陣列（ASγ）和中意合作全覆蓋探測(cè)陣列（ARGO-YBJ），是國(guó)際四大超高能γ天文和超高能宇宙線(xiàn)研究陣列之一。
第三代高山宇宙線(xiàn)實(shí)驗(yàn)室，就是目前在建的高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站——“拉索（LHAASO）”。
科普
一把“鑰匙”打開(kāi)兩個(gè)世界
宇宙線(xiàn)又稱(chēng)宇宙射線(xiàn)，是來(lái)自宇宙的高能粒子流的總稱(chēng)，其成分包括質(zhì)子和各種原子核，還有少量的光子、中微子、電子等。在靠近地球的太空中，每分鐘約有一個(gè)宇宙線(xiàn)穿過(guò)一枚硬幣大小的面積，人類(lèi)對(duì)這些肉眼看不見(jiàn)的“天外來(lái)客”渾然不覺(jué)。
1912年，奧地利物理學(xué)家赫斯發(fā)現(xiàn)了宇宙線(xiàn)的存在。這些來(lái)自深空的粒子攜帶著比可見(jiàn)光光子高幾百萬(wàn)倍的能量，為科學(xué)家們送來(lái)打開(kāi)微觀(guān)世界的“鑰匙”。
1932年, 美國(guó)物理學(xué)家安德森在宇宙線(xiàn)徑跡中首次發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)——帶正電荷的電子。此后，粒子物理學(xué)問(wèn)世，并由此產(chǎn)生了多枚諾貝爾獎(jiǎng)牌。
宇宙線(xiàn)的精妙之處，還在于它如同一座橋梁，聯(lián)系著微觀(guān)世界與浩渺宇宙。
“宇宙線(xiàn)的粒子傳播到地球，包含著許多信息。人類(lèi)研究這些‘信號(hào)’，進(jìn)而對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)展開(kāi)推斷?！备吆０斡钪婢€(xiàn)觀(guān)測(cè)站項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說(shuō)。
疑問(wèn)
“天外來(lái)客”的出生地在哪里？
宇宙線(xiàn)是組成物質(zhì)本身的粒子直接傳播到地球，包含著許多電磁波無(wú)法傳遞的信息，被形象地稱(chēng)為“宇宙隕石”。1912年被發(fā)現(xiàn)，但迄今為止人類(lèi)仍未發(fā)現(xiàn)其起源。
南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授王祥玉介紹，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，超新星遺跡、星暴星系、銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等，都具有產(chǎn)生宇宙線(xiàn)的條件，但究竟哪一個(gè)是其“出生地”還不得而知。
上海天文臺(tái)研究員王仲翔一直在研究銀河系內(nèi)的宇宙線(xiàn)。他舉例說(shuō)，宇宙線(xiàn)是穿越歷史的“信使”。公元1006年宋朝期間，曾有一顆超新星閃耀天空，亮度最強(qiáng)時(shí)白天可見(jiàn)；1000多年后，科學(xué)家們?nèi)栽谘芯窟@顆超新星遺跡中快速移動(dòng)的粒子會(huì)不會(huì)是宇宙線(xiàn)的前身，解答“來(lái)自宋朝的問(wèn)候”。
科學(xué)家們介紹，人類(lèi)已經(jīng)有辦法加速粒子，然而宇宙線(xiàn)粒子的最高能量，相當(dāng)于人類(lèi)用加速器產(chǎn)生的最高能量粒子的10億倍。高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻說(shuō)，利用目前的加速能量，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了描述世界物質(zhì)構(gòu)成的“標(biāo)準(zhǔn)模型”中所有的基本粒子，包括新近發(fā)現(xiàn)的“上帝粒子”。如果想看到更多的物理現(xiàn)象，就必須依賴(lài)更高的加速辦法。探索高能宇宙線(xiàn)的起源是一個(gè)可能獲得突破的方向。
觀(guān)測(cè)宇宙線(xiàn)的“十八般兵器”有哪些？
曾有人形象地比喻：每過(guò)一分鐘，才約有一個(gè)宇宙線(xiàn)穿過(guò)一枚硬幣大小的面積，這一肉眼看不見(jiàn)的“天外來(lái)客”，如何精準(zhǔn)捕捉？曹臻說(shuō)，可以“下?！?，在水底安裝中微子望遠(yuǎn)鏡；可以“上山”，在高海拔搭建觀(guān)測(cè)站；也可以“上天”，用粒子探測(cè)衛(wèi)星尋找。
“宇宙線(xiàn)的研究非常困難。宇宙線(xiàn)是帶電粒子，碰到宇宙中無(wú)處不在的磁場(chǎng)就會(huì)偏轉(zhuǎn)。科學(xué)家盡量選擇光子和中微子作為研究對(duì)象，作為宇宙射線(xiàn)的伴生物，這兩種粒子是沿直線(xiàn)傳播的，比較易于用來(lái)回溯到產(chǎn)生地?！蓖跸橛裾f(shuō)。
俄羅斯高能天體物理學(xué)家詹·阿里是超高能中微子實(shí)驗(yàn)“G噸體積探測(cè)器”項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。他所采用的方法，是通過(guò)置放于貝加爾湖下1300米的多個(gè)探測(cè)器，接收宇宙線(xiàn)中微子信號(hào)。
詹·阿里介紹，冬天貝加爾湖的冰層在60-90厘米厚，有時(shí)能達(dá)120厘米。科學(xué)家駕車(chē)在冰層上打洞，用錨鏈將探測(cè)器墜到湖里，布置在750米至1300米深處；探測(cè)到的信號(hào)會(huì)通過(guò)電纜傳到位于水下30米左右的匯集器，再經(jīng)過(guò)湖底電纜傳輸?shù)?公里遠(yuǎn)的岸邊數(shù)據(jù)中心。
美國(guó)高能天體物理學(xué)家韋恩·施普林格則是將300大桶左右的水置放在北美第三高山海拔4100米的山坡上，形成高海拔水基切倫科夫伽馬射線(xiàn)天文臺(tái)，每24小時(shí)能看到2/3的天空?！?0萬(wàn)年前，名為‘Geminga’的中子星爆炸后形成了脈沖星，其粒子流還在來(lái)訪(fǎng)?！?/p>
日本東京大學(xué)教授政廣手嶋是在位于海拔2200米的西班牙拉帕爾瑪島，利用兩架名為“魔術(shù)”的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)，目前可以觀(guān)測(cè)200多個(gè)高能伽馬射線(xiàn)源。
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